基于積分分離PID的爐溫控制系統設計與仿真

吳和杰（海南省高級技工學校，海南海口 571100）

基于積分分離PID的爐溫控制系統設計與仿真

吳和杰（海南省高級技工學校，海南海口 571100）

電阻爐是利用電流使爐內電熱元件或加熱介質發熱，從而對物料加熱的一種工業爐，被廣泛應用于石油化工等工業上。因此，對于電阻爐溫度的精確控制是工業控制領域中一個十分重要的課題。通過對爐溫控制系統的分析，可該溫度自動控制系統具有純滯后一階慣性特性，工業上普遍采用比例積分微分控制規律--PID控制規律。但在現實生產自動控制中出現，每逢系統開車、停車以及對給定值進行調整時，該溫度控制系統的e值（偏差）瞬間變化超大，比例積分微分控制規律適用于控制對象控制通道容量滯后較大而且進行消除余差的應用場合。

積分分離；PID；爐溫控制

針對傳統的比例積分微分控制算法在爐溫控制中的上述問題，本文采用了一種積分分離PID控制算法設計了爐溫控制系統并進行了仿真，實現了對爐溫的容量滯后較大、控制質量要求較高的三作用控制規律。

1 電阻爐溫度PID自動控制系統結構

電阻爐溫度PID自動控制系統結構方框圖以圖1表示。該溫度PID自動控制系統由3大部分組成：單片機系統；溫度測量與控制系統；人機對話系統。

該系統在進行溫度測量與控制工作時，熱敏電阻對電阻爐內溫度進行測量檢測，把測量結果進行相應的信號放大、在經過A/D轉換得到標準的數字量，把標準的數字量傳送給單片機系統，通過對測量信號和設定信號對比及運算，輸出控制量，控制電阻絲加熱量，達到對爐內溫度進行精準控制的目的。

圖1 電阻爐溫度PID自動控制系統結構方框圖

2 積分分離PID控制規律應算方法

傳統的PID控制規律應算法中，比例積分控制規律能消除余差，控制質量最高。但是在系統開車、停車以及改變設定值時，系統控制量的輸出在瞬間內會產生較大的偏差，而且加上積分積累的特性，導致控制量超過控制極限，引起控制系統大幅量超調，引起系統不穩定。

針對上述問題，系統引入了積分分離PID控制規律應算法。積分分離PID控制規律應算方法的根據是：假設e值（偏差）出現較大時，立刻分離積分作用，限制超調量的累加；等被控變量接近設定值時，再引入積分控制作用，消除系統產生的靜差，從而提高該系統控制的精準度。基本操作如下：

2.1 事先設定ε＞0；

2.2 當|e|＞ε時，采用比例微分控制規律控制；

2.3 當|e|≤ε時，采用比例積分微分控制控制。實現積分分離作用，此控制規律應算法可表示如下：

式中，T是測量時間，β是積分開關系數

系統的控制算法流程圖如圖2所示。

圖2 積分分離PID控制算法流程圖

3 系統仿真及分析

圖3積分分離PID溫度控制系統模型

圖4給出了積分分離PID與普通PID的階躍跟蹤曲線，圖中虛線為積分分離PID的階躍跟蹤曲線，實線為普通PID的階躍跟蹤曲線。傳統的PID控制規律應用，輸入量細微變化時，無超調，但是在階躍量干擾下，輸入量變化較大，產生巨大超調。從圖4的仿真結果曲線可以看出，在同樣參數條件下控制，采用積分分離PID控制規律，盡管有階躍干擾輸但能明顯的減少了超調量，從而可以控制系統的超調與振蕩現象。